Ферменты и комплексы переходных металлов – молекулярные катализаторы. Они значительно более активны и селективны, чем обычные гетерогенные катализаторы

Ферментативные катализаторы

Ферменты являются катализаторами не только в живых системах, но в процессах, проводимых вне живого организма. Для этого ферменты выделяют (например «пероксидаза из хрена»), очищают. Затраты на выделение и очистку ферментов составляют 90% стоимости получаемых с их помощью продуктов. Можно использовать ферменты в свободном состоянии. Но тогда сохраняются недостатки гомогенного катализа, а именно разделение продуктов и катализатора.

Поэтому понятно стремление использовать такие катализаторы, но предварительно придав им технологические свойства гетерогенных катализаторов, позволяющие осуществлять процессы в непрерывном режиме, т.е. закрепить (иммобилизовать) их на поверхности инертного носителя.

Существуют два принципиально различных метода иммобилизации ферментов: без возникновения ковалентных связей между ферментом и носителем (физические методы иммобилизации) и с образованием ковалентной связи между ними (химические методы иммобилизации).

Физические методы иммобилизации ферментов реализуются посредством адсорбции фермента на инертном твердом носителе или путем включения его в поры пространственно сшитого геля, в полупроницаемые структуры и пр.

При адсорбционной иммобилизации белковая молекула удерживается на поверхности носителя за счет электростатических, гидрофобных, дисперсионных взаимодействий и водородных связей. В литературе описано получение адсорбционным способом более 70 иммобилизованных ферментов с использованием главным образом таких носителей, как кремнезем, активированный уголь, графитовая сажа, различные глины, пористое стекло, полисахариды, синтетические полимеры, оксиды алюминия, титана и других металлов. Последние применяются наиболее часто. Эффективность адсорбции молекулы белка на носителе определяется удельной поверхностью (плотностью центров сорбции) и пористостью носителя. Процесс адсорбции ферментов на нерастворимых носителях отличается крайней простотой и достигается методом пропитки носителя раствором фермента. Активность фермента при таком варианте иммобилизации сохраняется практически на 100 %, а удельная концентрация белка может достигать 64 мг на 1 г носителя.

Иммобилизацию ферментов в геле осуществляют двумя способами. В первом случае фермент вводят в водный раствор мономера, а затем проводят полимеризацию, в результате которой возникает пространственная структура полимерного геля с включенными в его ячейки молекулами фермента. Во втором случае фермент вносят в раствор уже готового полимера, который впоследствии переводят в гелеобразное состояние. Для первого варианта используют гели полиакриламида, поливинилового спирта, поливинил-пирролидона, силикагеля, для второго гели крахмала, агар-агара, каррагинана, агарозы, фосфата кальция.

Иммобилизация ферментов в гелях обеспечивает равномерное распределение энзима в объеме носителя. Большинство гелевых матриц обладает высокой механической, химической, тепловой и биологической стойкостью и обеспечивает возможность многократного использования фермента, включенного в его структуру. Однако метод непригоден для иммобилизации ферментов, действующих на водонерастворимые субстраты.

Сущность этого способа иммобилизации заключается в отделении водного раствора фермента от водного раствора субстрата с помощью полупроницаемой мембраны, пропускающей низкомолекулярные молекулы субстратов и кофакторов, но задерживающей большие молекулы фермента.

Химические методы иммобилизации ферментов за счет образования новых ковалентных связей между ферментом и носителем − наиболее массовый способ получения промышленных биокатализаторов. В отличие от физических методов этот способ иммобилизации обеспечивает прочную и необратимую связь фермента с носителем и часто сопровождается стабилизацией молекулы энзима. Пример ковалентной иммобилизации – прививка к силикагелю через аминогруппу фермента:

Однако расположение фермента относительно носителя на расстоянии одной ковалентной связи создает стерические трудности в осуществлении каталитического процесса. Фермент отделяют от носителя с помощью вставки (сшивка, спейсер), в роли которой чаще всего выступают бифункциональные и полифункциональные агенты (бромциан, гидразин, сульфурилхлорид, глутаровый диальдегид и др.). В этом случае структура иммобилизованного фермента включает носитель, спейсер и фермент, соединенные между собой ковалентными связями.

Рис. 10.2. Схема ковалентной иммобилизации фермента.

Принципиально важно, чтобы в иммобилизации фермента участвовали функциональные группы, несущественные для его каталитической функции.

Металлокомплексные катализаторы

Гетерогенизация металлокомплексных катализаторов (МКК) основана на тех же принципах, что и ферментов, и осуществляется такими же физико-химическими способами. Однако гетерогенные МКК менее изучены, чем ферменты, и использование их  не вышло за рамки научных лабораторий.

Обычно МКК закрепляют на органических (например, полистирол) или неорганических полимерах. В качестве неорганических носителей берут силикагель или молекулярные сита.

Сначала на поверхности носителя создают функциональные группировки, которые могут быть использованы для прививки линкеров, с которым в дальнейшем связывается лиганд переходного металла в МКК. Для этого используют                  силилирование поверхности,  например, γаминопропилтриэтоксисиланом, который, взаимодействуя с ОН группой силикагеля образует прочную SiOSi связь. Кроме того, у него есть С3-«ножка», которая уменьшает влияние носителя на активный центр МКК. Затем к к функциональной группе ножки (NH2) прививают металлокомплекс.

При гетерогенизации МКК на цеолитах используют их особенности как молекулярных сит. Цеолиты Y имеют в своей структуре сферические полости (1,2 нм), которые соединены «окнами» диаметром 0,82 нм. Через эти окна в полости могут попасть только небольшие молекулы. Это и было использовано в 70-х годах ХХ в. при закреплении в цеолитах молекул фталоцианина никеля.

   

Рис. 10.4. Молекула фталоцианина никеля

 

-Молекулы фталоцианина никеля были синтезированы цеолите из малых молекул прекурсоров, специально введенных в полости материала (система “ship-in-bottle”).  Схема синтеза представлена на рис.10.5.

Рис 10.5.  Схема синтеза фталоцианина никеля в полостях цеолитов.

Крупные молекулы фталоцианина не могли покинуть эти полости. Благодаря молекулярной дисперсности включенные в цеолитные матрицы фталоцианиновые комплексы показали высокую каталитическую активность в окислении органических веществ, в частности, серосодержащих соединений (меркаптаны, тиофен).

Актуальные направления развития каталитической химии

Мембранный катализ. Межфазный. катализ. Бифазный катализ (катализ в ионных жидкостях). Катализ в среде сверхкритических растворителей. Переход к «умным» и полифункциональным катализаторам.

Синтез катализаторов – интенсивно развивающаяся область каталитической химии. Разрабатываются новые подходы и методы получения катализаторов совершенно новые типы катализаторов, а также новые способы осуществления каталитических реакций.

Ранее мы рассмотрели традиционные (классические) методы приготовления катализаторов, и некоторые другие, ставшие уже привычными. Рассмотрим некоторые сравнительно новые направления в катализе в целом.

Другие актуальные направления развития каталитической химии

Среди других актуальных направлений развития каталитической химии, связанных со способами осуществления каталитических реакций, следует отметить три сравнительно новых типа катализа: мембранный, межфазный и бифазный. Первые два были разработаны во второй половине ХХ в., последний   в конце 1990-х годов ХХ в.

Мембранный катализ

Мембранный катализ основан на избирательном переносе через катализатор, как через мембрану, одного из веществ, участвующих в реакции. Мембраной (т.е. мембранным катализатором) может служить либо сам катализатор или какой-либо пористый материал с нанесенным на него каталитически активным веществом.

Монолитные мембранные катализаторы (ММК) обычно представляют собой металлическую фольгу или тонкостенную трубку. Для реакций с участием водорода ММК служат Pd и его сплавы, с участием Ag. При этом водород или кислород, пропускаемые с одной стороны ММК, проникают через катализатор в атомарной форме, активной для присоединения к молекулам, адсорбированным на противоположной поверхности катализатора. В результате этого увеличивается общая скорость реакций, возрастает селективность катализатора в реакциях образования продуктов неполного гидрирования или окисления.

Например, на ММК из Pd-сплава селективно происходит гидрирование циклопентадиена в циклопентен (выход 98%), а на катализаторах из Agокисление спиртов в альдегиды. Высокая селективность реакции обусловлена также тем, что степень заполнения поверхности катализатора субстратом не зависит от степени заполнения ее газом, поступающим через катализатор. При дегидрировании и дегидроциклизации удаление из зоны реакции образующегося водорода, благодаря его диффузии через мембрану, подавляет обратные и побочные процессы.

На ММК возможен также мембранный катализ с переносом водорода и азота в виде атомов через мембрану из Fe; на противоположной поверхности они соединяются в молекулы NH3, концентрация которых намного превосходит равновесную для реакции молекулярных Н2 и N2 в тех же условиях.

Пористые мембранные катализаторы (ПМК) обычно представляют собой пористые пластины или трубки, у которых поверхностный слой или весь объем каталитически активен (рис. 11.1).

 

Рис. 11.1. Схема работы ПМК с нанесенным слоем катализатора

 

В отличие от монолитных катализаторов, они не обеспечивают подведения атомарного реагента в зону реакции, но позволяют подавать большие количества газообразного реагента или более равномерно распределять его в жидком.

Преимущество мембранного катализа перед обычным обусловлено также избирательным переносом энергии, необходимой для реакции. Если реакция на одной из поверхностей катализатора сопровождается уменьшением энергии Гиббса системы, то на другой поверхности становится возможной реакция с возрастанием энергии Гиббса. Кроме того, перенос тепла, которое выделяется  при  экзотермическом  присоединении  Н2,  протекающем  на одной поверхности катализатора, облегчает проведение на другой его стороне сопряженной эндотермической реакции дегидрирования без сложных теплообменных устройств (рис. 11.2).

  Рис. 11.2. Сопряжение реакций на ММК

 

Так, сопряжение дегидрирования нафтенов или олефинов с гидродеалкилированием гомологов бензола на ММК повышает скорости обеих реакций и выходы целевых продуктов по сравнению с теми, которые наблюдаются при раздельном их осуществлении.

Межфазный катализ

Межфазным катализом (МФК) называют ускорение реакций между химическими соединениями, находящимися в различных фазах. Как правило, это реакции между солями, растворенными в воде или присутствующими в твердом состоянии, с одной стороны, и веществами, растворенными в органической фазе, − с другой, т.е. процесс, идущий в гетерогенных условиях. В отсутствие катализатора такие реакции обычно протекают медленно и неэффективны или не происходят вообще. Использование перемешивания не дает желаемого эффекта.

МФК позволяет решить проблему избирательной растворимости и реакционной способности реагентов, он делает возможными или ускоряет реакции в малополярных растворителях между ионными соединениями и органическими (не растворимыми в воде) веществами.

В качестве катализаторов (переносчиков) в системах «жидкость – жидкость» используют четвертичные аммониевые, фосфониевые или арсониевые соли, а в системах «жидкость – твердое тело» – макроциклические комплексоны: краун-полиэфиры, криптанды и пр. Наибольшее распространение получили катализаторы межфазного переноса такие как: тетрабутиламмоний иодид (ТБАИ), тетрабутиламмоний бромид (ТБАБ), тетрабутиламмоний бисульфат (ТБАБС, «катализатор Брэндстрема»), бензилтриэтиламмоний хлорид (ТЭБАХ, «катализатор Макоши»), триоктилметиламмоний хлорид (ТОМАХ, «катализатор Старкса»).

Основная функция катализатора состоит в переносе анионов реагирующей соли в органическую фазу в форме ионных пар. В апротонных растворителях они фактически не сольватированы и ничем не экранированы (за исключением, может быть, их противоионов) и, следовательно, обладают высокой реакционной способностью.

Из этого ясно, что МФК имеет значительные преимущества по сравнению с общепринятыми методами:

  • не требуются дорогостоящие безводные или апротонные растворители;
  • обеспечиваются более высокие скорости реакций и/или более низкие температуры реакций;
  • во многих случаях можно использовать более простое оборудование;
  • вместо алкоголятов, амида натрия, гидрида натрия или металлического натрия можно использовать водные растворы гидроксидов щелочных металлов.

Кроме того, имеются еще и особые преимущества, например: возможность осуществления реакций, которые не идут в других условиях; изменение селективности; более высокие выходы в результате подавления побочных реакций.

Бифазный катализ

Бифазный катализ (!!! не путать с межфазным) – сравнительно новый тип осуществления каталитических реакций, разработанный на рубеже ХХ и ХХI вв.

В большинстве промышленных процессов основного и тонкого органического синтеза, так же как и в нефтехимии, необходимы новые подходы к решению существующих экономических и экологических проблем, связанных  с большими энергетическими затратами и загрязнением окружающей среды. Достижения последних лет в химии расплавов смесей органических и неорганических солей, которые принято называть «ионными жидкостями» или «низкотемпературными расплавами солей», могут частично решить упомянутые выше проблемы.

Новый класс жидкостей, а именно ионные жидкости, был открыт в конце ХIХ в. Первая публикация вышла в 1888 г. В ней С.Габриэль сообщал о нитрате этаноламмония, который имеет температуру плавления 52−55 °C. В 1914 г. П. Вальден получил первую ионную жидкость с температурой плавления ниже комнатной: нитрат этиламмония [EtNH3]+ [NO3]−, который имеет температуру плавления 12 °C. После этого ионные жидкости на время были забыты и считались лишь лабораторным курьѐзом. В 1951 г. Ф. Харли получил ионные жидкости из хлороалюминатов, которые использовал для электроосаждения алюминия.

В 1981 г. хлороалюминаты впервые были использованы как растворители и катализаторы одновременно, для проведения реакции Фриделя — Крафтса. В 1990 г. нобелевский лауреат И. Шовен применил  ионные  жидкости   для   двухфазового катализа. В этом же году Р. Остерйонг использовал ионные жидкости для полимеризации этилена при участии катализатора Циглера-Натта. Прорыв в исследовании наступил в 1992 г., когда Дж. Вилкес и М. Заворотко сообщили о получении первых ионных жидкостей, устойчивых к воздуху и влаге — солей имидазолия с анионами [BF4]− и MeCO2−.

Большинство известных жидкостей являются молекулярными. Это означает, что независимо от того полярные они или неполярные – они состоят из молекул. В отличие от молекулярных жидкостей, независимо от степени диссоциации, ионные жидкости состоят, в основном, из ионов. Свойства и поведение таких жидкостей при использовании их в качестве растворителей или катализаторов (каталитических сред) сильно отличаются от свойств молекулярных жидкостей.

Ионные жидкости, содержащие четвертичный катион аммония или фосфония (например, R4N+, R2C6H5N+ и др.) и анион (Cl, SO42-, BF4и др.) – нелетучие и сильнополярные соединения, в жидком состоянии они диссоциированы. Температура плавления их ниже 100 оС, давление пара ~0.

Вначале кислые ионные жидкости рассматривали как эффективные катализаторы Фриделя-Крафтса, в то время как расплавы фосфониевых галогенидов успешно использовали для реакций нуклеофильного замещения в ароматическом кольце. В дальнейшем было показано, что ионные жидкости являются эффективными катализаторами многих процессов переработки углеводородов, таких как олигомеризация, алкилирование, диспропорционирование и др.

Осуществляется каталитическая реакция следующим образом. В реакторе при Ткомн. находятся две фазы: раствор реагента в воде и раствор катализатора в ионной жидкости. При увеличении температуры образуется 1 фаза – идет реакция. По окончании реакции температура снижается и снова в реакторе 2 фазы: раствор продукта в воде и раствор катализатора в ионной жидкости. Использование ионных жидкостей, как и сверхкритических растворителей (см. далее), позволяет резко уменьшить вредные выбросы.

Катализ в среде сверхкритических растворителей

Возможность использования воды в сверхкритическом состоянии была упомянута в описании гидротермального метода синтеза катализаторов. В последние годы получили распространение исследования каталитических реакций в среде сверхкритических растворителей, прежде всего в среде углекислого газа, находящегося в сверхкритическом состоянии  (рис. 11.3).

   

Рис. 11.3. Фазовая диаграмма диоксида углерода:

1. точка равновесия «твердое тело – жидкость – газ» (тройная точка),

2.  критическая точка,

СК область сверхкритического состояния

 

Применение СК-СО2 в качестве растворителя имеет следующие преимущества:

  • отлично смешивается с водородом
  • физиологически не вызывает опасений, стерилен и бактериостатичен;
  • негорюч и не является взрывчатым веществом, следовательно, в технологическом цикле нет необходимости в специальных устройствах против возгорания и взрыва;
  • безопасен для окружающей среды, не дает сточных вод и отработанных растворителей, тем самым, исключая обычные дополнительные расходы;
  • для производственных целей может быть получен в больших количествах, запасы его в сжиженной форме является показателем уровня техники.

Ожидается, что все это, с одной стороны, может привести к повышению активности и селективности катализаторов, с другой – к сбережению окружающей среды, поскольку в процессе не используются органические растворители и даже вода.

 

Переход к «умным» и полифункциональным катализаторам

«Умные» катализаторы − это металлокомплексные катализаторы, в которых металлокомплекс связан с молекулой олигомера.

Преимущество таких катализаторов состоит в том, что их растворимость в реакционной среде меняется с температурой: при температуре реакции – они растворимы, т.е. работают как гомогенные катализаторы, а при снижении температуры растворимость уменьшается и они выпадают в осадок, т.е. приобретают преимущества гетерогенных катализаторов

Наблюдается тенденция перехода от однокомпонентных катализаторов простого состава к сложным многокомпонентным и полифункциональным. Последние имеют на поверхности участки, различающиеся по характеру каталитического действия. На полифункциональных катализаторах в одном аппарате за один проход реакционной смеси осуществляется ряд последовательных химических превращений и часто, особенно в случае неустойчивости промежуточных веществ, достигается лучший выход целевого продукта по сравнению с раздельным проведением процесса с помощью монофункциональных катализаторов. Полифункциональными являются, например, катализатор Лебедева для получения дивинила из этилового спирта, алюмоплатиновый катализатор для производства высокооктановых бензинов и др.

Объѐм мирового производства катализаторов составляет не менее  200 тыс. т/год; выпускается около 250 основных типов катализаторов, каждый тип включает ряд разновидностей. Между однородными по назначению катализаторами, производимыми в различных странах или разными фирмами, имеются определѐнные различия, особенно между катализаторами новых процессов. Повсеместно наблюдается концентрация производства катализаторов. Создаются крупные катализаторные фабрики и цехи, позволяющие улучшить качество продукции, механизировать и автоматизировать производство, а сами катализаторы, производившиеся ранее только для потребления внутри предприятий, стали поступать как товарные продукты на внутренние и международные рынки.